Linia wiązki - Beamline
W fizyce gazu , A beamline odnosi się do toru wiązki przyspieszonych cząsteczek, takich ogólnej budowy odcinka trasy (rur prowadzących, urządzenia diagnostyczne) wzdłuż określonej ścieżki wystąpienia przyspieszenia obiekcie. Ta część też jest
- linia w akcelerator liniowy wzdłuż której belka z cząstek przemieszcza się lub
- ścieżka prowadząca od generatora cząstek (np. akceleratora cyklicznego) do eksperymentalnej stacji końcowej (jak w synchrotronowych źródłach światła , cyklotronach lub źródłach spalacji ).
Linie wiązki zwykle kończą się na stacjach doświadczalnych, które wykorzystują wiązki cząstek lub światło synchrotronowe uzyskane z synchrotronu lub neutrony ze źródła spalacyjnego lub reaktora badawczego . Linie wiązki są wykorzystywane w eksperymentach z zakresu fizyki cząstek elementarnych , materiałoznawstwa , chemii i biologii molekularnej , ale mogą być również używane do testów napromieniowania lub do produkcji izotopów.
Linia wiązki w akceleratorze cząstek
W akceleratorach cząstek linia wiązki jest zwykle umieszczona w tunelu i / lub pod ziemią, otoczona betonową obudową dla celów ekranowania. Linia wiązki jest zwykle cylindryczną metalową rurą, zwykle nazywaną rurą wiązki i / lub rurą dryfującą , odprowadzaną do wysokiej próżni, więc na drodze jest niewiele cząsteczek gazu, które mogą uderzyć wiązkę przyspieszonych cząstek, które w przeciwnym razie mogłyby je rozproszyć zanim dotrą do celu.
Na linii wiązki znajdują się wyspecjalizowane urządzenia i sprzęt, które służą do wytwarzania, utrzymywania, monitorowania i przyspieszania wiązki cząstek. Urządzenia te mogą znajdować się w pobliżu linii wiązki lub być do niej bezpośrednio podłączone. Urządzenia te obejmują skomplikowane przetworników , diagnostyki (monitory pozycji i skanery drutu ), soczewki , kolimatory , termopary , pomp jonowych , czujniki jonowe , komory jonowych (do celów diagnostycznych, zwykle zwane „monitoruje wiązki”), zawory podciśnieniowe ( „zawory odcinające”) i zasuwy , żeby wymienić tylko kilka.
Konieczne jest, aby wszystkie sekcje linii wiązki, magnesy itp. Były wyrównane (często przez pomiar i załogę ustawiającą przy użyciu trackera laserowego ), linie muszą mieścić się w tolerancji mikrometra . Dobre wyrównanie pomaga zapobiegać utracie wiązki i zderzaniu się wiązki ze ściankami rur, co powoduje emisje wtórne i / lub promieniowanie .
Linia wiązki promieniowania synchrotronowego
W odniesieniu synchrotronach , beamline może również odnosić się do aparatury, która przenosi wiązki od promieniowania synchrotronowej do eksperymentalnego stacji końcowej, która wykorzystuje promieniowania wytwarzanego przez magnesy gięcia oraz urządzeń wprowadzających w pierścieniu pamięci o napromieniowanie Synchrotron . Typowym zastosowaniem tego rodzaju linii wiązki jest krystalografia , chociaż istnieje wiele innych technik wykorzystujących światło synchrotronowe .
W dużej placówce synchrotronowej będzie dostępnych wiele linii świetlnych, z których każda jest zoptymalizowana pod kątem określonej dziedziny badań. Różnice będą zależały od typu urządzenia wprowadzającego (które z kolei określa intensywność i rozkład widmowy promieniowania); sprzęt do kondycjonowania wiązki; i eksperymentalna stacja końcowa. Typowa linia wiązki w nowoczesnym obiekcie synchrotronowym będzie miała od 25 do 100 m długości od pierścienia magazynującego do stacji końcowej i może kosztować nawet miliony dolarów. Z tego powodu obiekt synchrotronowy jest często budowany etapami, przy czym kilka pierwszych linii jest otwieranych pierwszego dnia operacji, a inne są dodawane później, gdy pozwala na to finansowanie.
Elementy wiązki są umieszczone w obudowach ekranujących promieniowanie, zwanych szopami , które są wielkości małego pomieszczenia (kabiny). Typowa linia wiązek składa się z dwóch chat, optycznej klatki dla elementów kondycjonujących wiązkę oraz eksperymentalnej klatki, w której znajduje się eksperyment. Belka przemieszcza się między chatami w rurze transportowej. Wchodzenie do chat jest zabronione, gdy roleta belki jest otwarta i promieniowanie może dostać się do chatki. Jest to wymuszone przez zastosowanie rozbudowanych systemów bezpieczeństwa z redundantnymi funkcjami blokowania , które zapewniają, że nikt nie przebywa w domku, gdy włączone jest promieniowanie. System bezpieczeństwa wyłączy również wiązkę promieniowania, jeśli drzwi do domku zostaną przypadkowo otwarte przy włączonej belce. W tym przypadku wiązka jest wyrzucana , co oznacza, że zmagazynowana wiązka jest kierowana do celu zaprojektowanego do pochłaniania i zatrzymywania jej energii.
Elementy używane w liniach wiązki przez eksperymentatorów do kondycjonowania wiązki promieniowania między pierścieniem akumulacyjnym a stacją końcową obejmują:
- Okna: okna służą do oddzielania sekcji próżniowych UHV i HV oraz do zakończenia linii wiązki. Są również używane między sekcjami próżniowymi UHV, aby zapewnić ochronę przed wypadkami z podciśnienia. Folie użyte do wykonania membrany okiennej osłabiają również widmo promieniowania w obszarze poniżej 6KeV.
1- Okna berylowe: Okna berylowe mogą być dostarczane w wersji chłodzonej lub niechłodzonej, z różnymi rozmiarami (i liczbą) otworów okiennych. Okna są dopasowywane do konkretnych wymagań, jednak maksymalny rozmiar okna zależy od grubości folii i różnicy ciśnień, jaką mają wytrzymać. Okna mogą być dostarczane z różnymi rozmiarami kołnierzy wlotu / wylotu belki, aby spełnić określone wymagania. 2- Okna diamentowe CVD: osadzanie chemiczne z fazy gazowej (CVD) Diament oferuje ekstremalną twardość, wysoką przewodność cieplną, obojętność chemiczną i wysoką przezroczystość w bardzo szerokim zakresie widmowym. Mocniejszy i sztywniejszy niż beryl, z mniejszą rozszerzalnością cieplną i mniejszą toksycznością, jest idealny do okien izolacyjnych UHV w liniach promieni rentgenowskich. Okna mogą być dostarczane jako osadzone w kołnierzach UHV oraz z wydajnym chłodzeniem wodnym. 3- Okna wyjściowe: Okna wyjściowe próżni są wykonane z różnych materiałów, w tym berylu i diamentów CVD opisanych powyżej.
- Szczeliny: Szczeliny służą do definiowania belki w poziomie lub w pionie. Można ich używać parami, aby zdefiniować belkę w obu kierunkach. maksymalny rozmiar apertury jest dobierany tak, aby spełniał określone wymagania. Dostępne opcje obejmują szczeliny chłodzone (praca z białą wiązką) lub niechłodzone (praca z wiązką monochromatyczną) i powłokę fosforową po górnej stronie szczeliny w celu ułatwienia lokalizacji wiązki. Istnieją cztery główne typy szczelin: szczeliny na ostrza, szczeliny na obciążenie wysokotemperaturowe, szczeliny w linii, szczeliny o wysokiej precyzji.
- Żaluzje: Żaluzje wiązek służą do przerywania promieniowania z przodu lub obudów optyki, gdy nie jest to wymagane za prądem. Mają funkcję bezpieczeństwa sprzętu i personelu. Istnieją trzy rodzaje okiennic; Żaluzje fotonowe, monochromatyczne żaluzje wiązkowe, żaluzje niestandardowe
- Filtry wiązki: (lub tłumiki) usuwają niepożądane zakresy energii z wiązki, przepuszczając padające promieniowanie synchrotronowe przez cienką folię przepuszczającą. Są często używane do zarządzania obciążeniami cieplnymi białych belek w celu optymalizacji wydajności linii w zależności od energii pracy. Typowy filtr ma dwa lub trzy stojaki, z których każdy zawiera trzy lub cztery oddzielne folie, w zależności od przekroju wiązki.
- Lustra skupiające - jedno lub więcej luster, które mogą być płaskie, wygięte lub toroidalne , co pomaga w kolimacji (ogniskowaniu) wiązki
- Monochromatory - urządzenia oparte na dyfrakcji przez kryształy, które wybierają określone pasma długości fal i pochłaniają inne długości fal, i które czasami są dostrajane do różnych długości fal, a czasami są ustawione na określoną długość fali
- Rurki dystansowe - rurki utrzymujące próżnię, które zapewniają odpowiednią przestrzeń między elementami optycznymi i osłaniają wszelkie promieniowanie rozproszone
- Etapy próbki - do montażu i manipulowania badaną próbką oraz poddawania jej różnym warunkom zewnętrznym, takim jak zmienna temperatura, ciśnienie itp.
- Detektory promieniowania - do pomiaru promieniowania, które oddziałuje z próbką
Kombinacja urządzeń kondycjonujących wiązkę kontroluje obciążenie termiczne (nagrzewanie wywołane przez belkę) na stacji końcowej; widmo promieniowania padającego na stacji końcowej; oraz ognisko lub kolimacja wiązki. Urządzenia wzdłuż linii wiązki, które pochłaniają znaczną moc z wiązki, mogą wymagać aktywnego chłodzenia wodą lub ciekłym azotem . Cała długość linii wiązki jest zwykle utrzymywana w warunkach bardzo wysokiej próżni .
Oprogramowanie do modelowania linii wiązki
Chociaż projekt linii wiązki promieniowania synchrotronowego może być postrzegany jako zastosowanie optyki rentgenowskiej, istnieją dedykowane narzędzia do modelowania propagacji promieniowania rentgenowskiego w dół linii wiązki i ich interakcji z różnymi składnikami. Istnieją kody śledzenia promieni, takie jak Shadow i McXTrace, które traktują wiązkę promieniowania rentgenowskiego w granicach optyki geometrycznej, a także oprogramowanie do propagacji fal, które bierze pod uwagę dyfrakcję i wewnętrzne właściwości falowe promieniowania. Aby zrozumieć pełną lub częściową spójność promieniowania synchrotronowego, należy wziąć pod uwagę właściwości fal. Kody SRW , Spectra i xrt uwzględniają tę możliwość, ten ostatni kod obsługuje reżim „hybrydowy” pozwalający na przejście z podejścia geometrycznego na falowy na danym segmencie optycznym.
Linia wiązki neutronów
Na pozór linie wiązek neutronów różnią się od linii promieniowania synchrotronowego głównie tym, że zamiast fotonów wykorzystują neutrony z reaktora badawczego lub źródła spalacji . Ponieważ neutrony nie przenoszą ładunku i trudno je przekierować, komponenty są zupełnie inne (patrz np. Choppery lub super lustra neutronów). Eksperymenty zwykle mierzą rozpraszanie neutronów lub transfer energii do badanej próbki.